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2浅基础设计的基本原理201203


第二章 浅基础设计的基本原理

黑龙江大学 建筑工程学院

主要内容
§2.1 概述 §2.2 浅基础类型 §2.3 基础的埋置深度 §2.4 地基承载力的确定及验算 §2.5 基础底面尺寸的确定 §2.6 地基的变形验算 §2.7 地基基础的稳定性验算 §2.8 减轻不均匀沉降危害的措施

§2.1 概 述
合理选择地基基础方案 地基基础方案有: 天然地基或人工地基上的浅基础; 深基础; 深浅结合的基础

浅基础设计要考虑的问题 基础所用的材料及基础的结构型式; 2. 基础埋置深度; 3. 地基土的承载力; 4. 基础的形状和布置,以及与相邻基础、地下构 筑物和地下管线的关系; 5、上部结构的类型、使用要求及其对不均匀沉降 的敏感性; 6、施工期限、施工方法及所需的施工设备等; 7、在地震区,还应考虑地基和基础的抗震要求
1.

§2.2 浅基础的类型
按结构型式分: 扩展基础、联合基础、柱下条形基础、柱下交叉 条形基础、筏形基础、箱形基础和壳体基础等。 按材料性能分: 无筋扩展基础、扩展基础、柱下钢筋砼条形基础

一、无筋扩展基础
由砖、毛石、混凝土或毛石混凝土、灰土和三合 土等材料组成的无需配置钢筋的墙下条形基础或 柱下独立基础。 材料抗压好;抗拉强度 很低 要求基础台阶宽高比 (刚性角)符合一定条 件
F

h0

? bt

二、钢筋混凝土扩展基础(扩展基础)
墙下钢筋砼条形基础和柱下钢筋砼独立基础 抗弯、抗剪性能好,要满足抗弯、抗剪和抗冲切 等结构要求

三、柱下条形基础 —调节不均匀沉降

优点:材料省、造价低 缺点: 施工复杂、技术高、工期长

柱下交叉条形基础

四、筏形基础

平板式板厚不小于400mm,一般为0.5~2.5m

五、箱形基础—整体空间结构

优点: 抗弯刚度大, 补偿效应 缺点: 钢筋水泥用量大,工期长,造价高,施工复杂

六、壳体基础

优点:材料省、造价低 缺点: 施工复杂、技术高、工期长

§2.3 基础的埋置深度
基础埋置深度是指基础底面至天然地面的距离 F

G 持力层(受力层)
下卧层

基础埋深确定的基本原则
在满足承载力的条件下尽量浅埋;省工省时省料, 但是有如下基本要求:
1. 2. 3. 埋深不宜小于0.5m, 基础顶面宜低于室外设计地面0.1m 桥墩基础要求在冲刷深度以下

大于10cm

D

一、建筑物的用途类型及荷载大小的性质
1.首先考虑建筑物的使用功能,如必须设地下室、 地下设施、属于半埋式结构物等 2.高层建筑,为了满足稳定性要求,基础埋置深度 应加大: 筏形和箱型基础,不小于建筑物高度的1/15 桩筏和桩箱基础,不小于建筑物高1/18~1/20 3.对岩石地基上高层,满足抗滑要求 4.受上拔力的基础,满足抗拔要求 5.高耸结构,满足抗倾覆稳定性要求

二、工程地质和水文地质
(一)水文地质条件

1. 基础应尽量埋置在良好的持力层上。 2. 当上层土的承载力低,而下层土的承载力高时, 应将基础埋置在下层较好的土层中。 3. 当地基受力范围内存在软弱下卧层时,软弱下卧 层的承载力和地基变形也应满足要求。

常见四种情况,确定基础埋深:
自上而下都是良好土层 自上而下都是软弱土层 上部为软弱土层,而下部为良好土层 ——取决于上部软弱土层的厚度 上部为良好土层,而下部为软弱土层 ——基础尽量浅埋

(二)水文地质条件 基础应尽量埋置在地下水位以上

三、相邻建筑物基础埋深的影响

四、地基土冻胀和融陷的影响
冻胀:土冻结后体积增大的现象 融陷:冻土融化后产生的沉陷

冻胀率

V ? ? V ?V ?? ? V V

冻胀等级:不冻胀、弱冻胀、冻胀、 强冻胀和特强冻胀 最小埋深
d min ? zd ? hmax
zd ? z0 ?? zs ?? zw ?? ze

五、补偿基础概念
在软弱地基上建造采用浅基础的高层建筑时, 常会遇到地基承载力或沉降不满足要求的情况, 常采用补偿性基础设计。

建筑物的沉降与建筑物基底附加压力成正比
N p0 ? p ? ? c ? ? ? 0 d A
N d? A? 0

此时p0=0,建筑物的重力等于基坑挖去的总土重, 即全补偿性基础; 若N/A大于γ0d,则称部分补偿性基础。

§2.4 地基承载力的确定及验算
地基承载力概念
地基承载力—指地基承受荷载的能力 地基承载力特征值fa—在保证地基稳定的条件下,使建筑物 的沉降量不超过允许值的地基承载力。 fa取决于两个条件: 要有一定的安全储备,即fa=pu/K
地基变形不应大于相应的允许值Sa

一、地基基础设计等级 1. 地基基础设计等级

2. 地基基础设计应符合下列规定:

二、岩土工程勘察的要求
?岩土工程勘察报告应提供的资料; ?地基评价; ?施工验槽。

三、荷载效应组合的规定 1.作用在基础上的荷载 (1)永久荷载:上部结构+基础自重、固定设备土压力、
稳定水压力 可变荷载:普通荷载:活荷载、风荷载、雪、吊车 特殊荷载:地震、船只或漂流物的撞击力

(2)荷载效应的代表值 标准值 准永久值=标准值*Ψq 组合值=标准值*Ψc (3)荷载设计值:代表值*分项系数

2. 荷载效应组合 (1)荷载效应标准组合(正常使用极限状态)
S k ? SGK ? SQ1k ?? c 2 SQ 2 k ? ... ?? ci SQik

荷载效应的准永久组合
S k ? SGK ?? q1SQ1k ?? q 2 SQ 2 k ? ... ?? qi SQik

(2)荷载效应的基本组合(承载力极限状态)
S ? ? G SGK ? ? Q1SQ1k ? ? Q 2? c 2 SQ 2 k ? ... ? ? Qi? ci SQik

四、地基基础设计的技术要求 1. 地基土抵抗剪切破坏和防止丧失稳定,应具有足 够的安全度 p? f 2. 基础沉降量应小于地基的允许变形值
? ? ???

3. 基础结构应具有足够的强度、刚度和耐久性。

五、地基基础设计的三种表达式 1. 容许承载力法
p ? fa

2. 安全系数法

fu p? k

3. 分项系数法

六、地基承载力的确定 1. 理论公式法

2、载荷试验法
载荷试验包括浅层平板载荷试验、深层平板试验及螺旋板 载荷试验 密实砂土、硬塑粘土等低压缩性土—p-s曲线为陡降型 取p1(比例界限荷载)且p1≤pu/2 松砂、填土、可塑粘土等中、高压缩性土—p-s曲线为 缓变型 取沉降s=(0.01~0.015)b所对应的荷载

3、地基承载力的修正

计算公式为:

七、地基承载力验算
(一)持力层承载力验算

1.轴心荷载作用时

p ? fa
Fk ? Gk Fk ? ? G Ad Fk p? ? ? ? ? G d ? fa A A A

2.偏心荷载作用时

N=F+G

pk ? fa pk max ? 1.2 fa

pmax
min

Fk ? Gk M kx M ky ? ? ? lb Wx Wy
6e y 6ex Fk ? Gk ? (? 1 ? ) lb b l

b

l

pmax
min

lb2 Wx ? ; 6

bl 2 Wy ? ) 6

偏心荷载时:以条形面积为例
N e N e

b
pmin ? 0
p max

b
pmin ? 0

p

max min

F ? G ? 6e ? ? ?1 ? ? A ? b ?
e<b/6: 梯形

e?

p max M

F ? G pk max

2( FK ? GK ) ? 3la

e>b/6: 三角形 a=b/2-e

(二)软弱下卧层承载力验算
F

pz ? pcz ? f az
d

p

z

?

Es1 Es2

注意:

pcz

? 下卧层承载力 faz 只做深度修正 ? 扩散角可查表2-14 ? 基础埋深加大附加应力近似为零(补偿性)

软土

pz ? pcz ? f az
式中:pz — 软弱下卧层顶面处的附加应力值(kPa); pcz—软弱下卧层顶面处土的自重应力标准值, pcz=?(d+z), ? 为软弱下卧层以上各土层的 加权平均重度(kN/m3),d为基础埋深(m), z为基础底面至软弱下卧层顶面处的距离 (m); faz — 软弱下卧层顶面处经深度修正后的地基承 载力特征值。

“压力扩散角”概念:根据扩散前、后各面积 上的总压力不变条件,得: 矩形:
pz ? lb( pk ? pc ) (l ? 2 z tan ? )(b ? 2 z tan ? )

条基:

b( pk ? pc ) pz ? b ? 2 z tan ?

式中:l、b — 分别为矩形基础底面的长度和宽度; pk — 基底的平均压力值; pc — 基底处土的自重应力标准值,pc=?od,?o为 基底以上土的加权平均重度,d 基础的埋深 z — 基底至软弱下卧层顶面的距离;

? — 基底压力扩散角,可按表2-14采用。

关于 p z 的简化计算:
Es1 ?3 条件: Es 2

1. 垫层厚度的确定
垫层验算

p z ? pcz ? f az

pz ?

b( pk ? pc ) b ? 2 ztg?

条形基础

pz ?

lb( p k ? pc ) (b ? 2 ztg? )(l ? 2 ztg? )

矩形基础

p z ——垫层底面处的附加压力值; p cz ——垫层底面处的自重应力;
f az ——软弱下卧层顶面处深度修正后的地基承载力特征值;

b ——矩形或条形基础底边宽度; p c ——基础底面处的自重应力;

z ——基础底面至软弱下卧层顶面的垂直距离;

? ——地基压力扩散线与垂直线的夹角——扩散角;
pk ——相应于荷载效应标准组合时,基础底面处

的平均压力值

2. 垫层宽度的确定

b' ? b ? 2 ztg?
应满足基础底面压力扩散的要求,同时还应考虑到垫层应有 足 够的宽度及垫层侧面土的强度条件,以防止垫层材料向侧边 挤 出而增加垫层的竖向变形量

3. 垫层承载力的确定
取决于垫层材料性质、施工机具能量大小、施工质量的优劣 通过现场载荷试验确定

4. 地基变形计算

(1)垫层自身的变形量
s1 ? ( pk ? ?pk ? z ) / Es 2

(2)下卧土层的变形量

zi ? i ? zi ?1? i ?1 s 2 ? ? p0 b ? Esi i ?1
n

地基变形计算

s=s1+s2

补充习题:
某砖混结构承重墙下条形基础,宽1.2m,埋深1m,上部结构作用于 基础顶面荷载为120kN/m,地基土表层为粉质粘土,厚度1m,重度 γ 1=17.5kN/m3;第二层为淤泥质粘土,厚度15m,重度γ 2=17.8 kN/m3;第三层为密实砂砾石。地下水距地表层为1m。地基承载力特 征值fak=45kPa。砂垫层厚度为1.7m,扩散角θ =30o,地基深度修正 系数η d=1.0。验算砂垫层厚度是否满足要求。(16分)

γ=17.5 kN/m

γ=17.8 kN/m

取1m长度计算
地基承载力修正
γ=17.5 kN/m

f a ? f ak ? ?d ? m ? d ? 0.5 ? ? 70kPa
基底附加应力: 下卧层顶面附加应力

γ=17.8 kN/m

? 45 ? 1? (17.5 ?1 ? 7.8 ?1.7) / 2.7 ? ? 2.7 ? 0.5 ?

―――――――(3分)

p0 ? p ? ?1d ?

120 ? 1.2 ?1? 20 ? 17.5 ?1 ? 102.5kPa (3分) 1.2

p0 b 102.5 ?1.2 pz ? ? ? 38.9kPa(4分) o b ? 2ztg? 1.2 ? 2 ?1.7 ? tg30

下卧层顶自重应力

pcz ? 17.5 ?1 ? ?17.8 ? 10 ? ?1.7 ? 30.76kPa
故砂垫层厚度满足要求。

(3分)

pz ? pcz ? 69.6kPa ? f a

――(3分)

2.5 基础底面尺寸的确定 一、轴心荷载作用下
p? Fk ? Gk ? fa A

Fk ? ? G Ad ? Afa

A?

Fk fa ? ? G d

A ——基底面积,m2 Fk ——作用在顶面的荷载标准值,kN
Gk——基础及台阶上填土总重,kN

F

?G ——平均重度,一般取 20 kN/m3
d ——基础平均埋深,m

G
d

fa=fak+?d?m(d-0.5)
——暂不做宽度修正,认为b<3m

单独基础

二、偏心荷载作用下
条形基础
Fk A? fa ? ? Gd Fk b? fa ? ? Gd

F G

d

1.按轴心荷载作用计算A 2.将计算得到 A 或 b 扩大至 10%-30% 3.验算地基承载力,若不满足继续放大

2.6 地基变形验算
? 不同类型建筑物根据结构类型、使用要求、 荷载性质等需满足不同的地基变形要求
沉降量、沉降差、倾斜、局部倾斜等

注意:荷载应按正常使用极限状态下荷载 效应的准永久组合,不应计入风荷载和地 震荷载

一、地基变形验算

? ? ???
《建筑地基基础设计规范》规定了 关于哪些建筑是否进行变形验算的相关规定。

二、地基特征变形量
分为:沉降量、沉降差、倾斜、局部倾斜。
1. 沉降量——指基础中心点的沉降值(a); 2. 沉降差——一般指相邻两单独柱基中点的沉降量 之差(b); 3. 倾斜——指基础倾斜方向两端点的沉降差与其距 离的比值(c); 4. 局部倾斜——指砌体承重结构沿纵向6~10m基础两 点的沉降差与其距离的比值(d);

地基特征变形(沉降计算)

表2-11 建筑物的地基变形允许值

注:①有括号者仅使用于中压缩性土; ②l为相邻柱基中心距离/mm,Hg为自室外地面起算的建筑物高度/m。

三、地基沉降量计算方法
1、弹性理论公式法(土力学) 基于布辛尼斯克课题的位移解:

1? v s? wp0b E0
地基均匀较方便,结果偏大。 w—沉降影响系数; E0 —变形模量

2

2、分层总和法

基本假定: (1)地基只有竖向压缩变形,无侧向变形; (2)用基础中点地基的附加应力计算变形。
n e1i ? e2i ?pi s ? ? si ? ? Hi ? ? Hi i ?1 i ?1 1 ? e1i i ?1 Esi n n

(3)确定计算深度与分层厚度(0.4b或者 1~2m均)合适。

? z ? 0.2? c

3、规范推荐法 基本假定:各向同性均质直线体理论计算 地基附加应力,对于同一层采用单一指标,精 度高。 n

p0 s ?? s ? ( zi ai ? zi ?1ai ?1 ) i ?1 Esi
' ?sn ? 0.025 ? ?si' n

确定计算深度

课本 P37

i ?1

zn ? b(2.5 ? 0.4 ln b)

1 A s ? ? ?dz ? ? ? z ? dz ? Es Es 0 0
'

z

z

A ? ? ? z ? dz ? ? ? ? p0 dz ? p0 ? ? ? dz
0 0 0

z

z

z



A ? p0 ? z ? ?

p0 ? z ? ? s ? Es
'

??

? ? ? dz
0

z

z

p0 s ?? ss ?? s ? ( zi ai ? zi ?1ai ?1 ) i ?1 Esi
'

n

4、考虑地基回弹的沉降计算

如:基坑开挖等

pc sc ? ? c ? ( zi ai ? zi ?1ai ?1 ) i ?1 Eci

n

回弹变形量

pc p0 s a ? s s ? sc ? ? c ? ( ? )( zi ai ? zi ?1ai ?1 ) Esi i ?1 Eci
pc—基坑底面以上的自重应力,地下水位以下取 浮重度。

n

四、沉降观测
1. 测点的布置
(1)建筑物四周的角点 (2)转角处 (3)中点 (4)沉降缝附近 (5)新旧建筑物连接处 (6)地基条件明显变化处

2. 观测时间
(1)施工时:民用建筑,每增加一层观测一次 工业建筑,按荷载施加阶段来进行观测 (2)施工后持续观测,半年后沉降量小于2mm,停止观测

2.7 地基基础的稳定性验算
验算稳定性的工程条件 ? 经常承受水平荷载作用的高层和高耸结构 ? 位于斜坡上的建筑物 ? 地基中存在倾斜或软弱地层
Ph
Pv

一 、稳定性验算

圆弧滑动面法——滑动稳定安全系数K

抗滑力矩 K? ? 1.2 滑动力矩

二、斜坡上的基础无须验算稳定性的条件 要求: 条形基础:a?3.5b-d/tan? 矩形基础:a?2.5b-d/tan? 条件: 坡高h?8m, 坡角??45o、 a?2.5m, b?3m (1) (2)

2.8 减轻建筑不均匀沉降危害的措施
?采用桩基础或其他深基础,减少地基总沉降量 ?对地基进行处理,提高地基承载力和压缩模量 ?在建筑、结构和施工中采取措施

一、建筑措施

1、建筑物体型力求简单 建筑物体型是指其平面形状与立面轮廓。

2、增强结构的整体刚度 (1)控制建筑物基础长高比

2、增强结构的整体刚度 (2)合理布置纵横墙

3、设置沉降缝
①复杂建筑物平面的转折部位; ②长高比过大的建筑物的适当部位; ③建筑物的高度(或荷载)差异处; ④地基土的压缩性或土层构造有明显差异处; ⑤建筑结构类型(包括基础)截然不同处; ⑥分期建造房屋的交接处。

4、相邻建筑物基础间应有合适的净距 5、调整某些设计标高

二、结构措施
1、设置圈梁增强建筑物的整体刚度 2、选用合适的结构形式 3、减轻建筑物自重
减少墙体重量——空心砌块、多孔砌块砖; 轻型空间结构、预应力钢筋混凝土结构; 轻刚结构等、轻质复合保温板等; 减少基础及回填土重量

4、减小或调整基底附加压力——地下室、基底尺寸 5、加强基础刚度

三、施工措施
1、遵循先重(高)、后轻(低)的施工程序 2、建筑物施工前使地基预先沉降 3、注意沉桩、降水等对邻近建筑物的影响 4、基坑开挖坑底土的保护


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